Светодиоды с объёмными четвертьволновыми резонаторами.

Материал от компании Кафедра светотехники МЭИ(ТУ)

Гутцайт Э.М., МЭИ (ТУ), г. Москва

Светодиоды (СД) с объёмными резонаторами (ОР) обладают существенными преимуществами перед обычными СД по эффективности. Например, в [1] отмечается, что интенсивность спонтанного излучения СД при использовании высокодобротного резонатора увеличивается на порядок за счёт сужения спектра люминесценции. Кроме того, улучшается спектральная чистота и повышается направленность, а также температурная стабильность излучения.

При проектировании СД с ОР рекомендуется использовать резонаторы с наименьшей длиной, возбуждаемые на фундаментальном виде колебаний (ВК) и имеющие наиболее высокую собственную добротность, т.е. наименьшее поглощение (потери) в резонаторе. Однако реальные СД с ОР, включающие распределённые зеркала Брегга и работающие на высших ВК, не вполне удовлетворяют современным требованиям.

Стремительное развитие нанотехнологии теперь уже позволяет использовать богатый опыт техники сверхвысоких частот (СВЧ) в оптическом диапазоне длин волн. Например, появилась возможность изготавливать металлические резонаторы и отрезки традиционных линий передач с размерами менее 100 нм и создавать на их основе светодиодные модули (СДМ), использующие квантоворазмерные гетероструктуры.

В [1] приведены реальные гетероструктуры с квантовыми «ямами», которые используются в инфракрасном диапазоне длин волн для передачи сигналов по волоконно-оптическим линиям связи.

В настоящей работе предлагаются некоторые варианты СДМ на основе электродинамических систем в виде четвертьволновых многорезонаторных систем с квантовыми «точками». Следует заметить, что могут быть также представлены устройства СДМ на основе электродинамических систем в виде полуволновых отрезков линий передач с квантовыми «нитями». Наглядные модели квантовых ям, нитей и точек, где по-разному локализованы фотоны, в соответствии с [2] показаны на рис.1.



В данной работе мы ограничимся рассмотрением четвертьволновых резонаторных систем на основе многоштыревых структур и цепочек связанных цилиндрических резонаторов, возбуждаемых на противофазном ВК (π-виде). Этот вид колебаний, как известно из техники СВЧ, является наиболее устойчивым.

В качестве активных элементов будем ориентироваться на квантовые точки в виде квантовых дисков (КД) диаметром 20 – 50 нм и высотой до 10 нм.

Упомянутые варианты предлагаемых устройств СДМ на основе ОР с КД представлены на рис. 2 и 3.


На рис. 2 а в изометрии изображена многорезонаторная штыревая система (МШС). Полупроводниковая структура с КД и люминофором показана на рис.2 б. Там же показаны электрические силовые линии на входе МШС и эпюра электрического поля Е. КД на основе нитрида галлия синего свечения возбуждают жёлтый люминофор, обеспечивая белое свечение СДМ. На рис. 2 б также отмечены предполагаемые размеры МШС. Длина штырей l соответствует четверти длины волны синего цвета, т.е. около 115 нм. Пространственный период (шаг) МШС в 3-4 раза меньше длины l. КД расположены через один штырь в синфазных электрических полях противофазного ВК (π-вида).